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Titandisilizid-Kontakte für hochtemperaturtaugliche thermoelektrische Generatoren : = Titanium disilicid contacts for high temperature suitable thermoelectric generators
Erscheinungsjahr
2015
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 07.07.2015
Paderborn, Univ., Diss., 2015
ger: Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer hochtemperaturtauglichen Verbindungstechnik für thermoelektrische Generatoren (TEG). Hierfür wurde Titandisilizid (TiSi2) als elektrisches Heißseiten-Verbindungsmaterial ausgewählt, detailliert getestet und erfolgreich in der Thermoelektrik eingeführt.Wichtige Materialeigenschaften sind unter anderem an mehreren eigens integrierten Demonstrator-TEGs unter realistischen Umgebungsbedingungen analysiert worden. Dazu zählt die thermische Stabilität der heißseitigen TiSi2-Verbindung, welche bis 600C getestet wurde. Die tatsächliche Temperaturstabilität des Titandisilizids liegt oxidationsbedingt bei 800C, wobei durch weitere Anpassungen auch 940C möglich sind. Der spezifische Widerstand von TiSi2 innerhalb der Zielapplikation beträgt 40cm. Dies gilt für die drei jeweils unterschiedlich dotierten TE-Materialien (FeSi2, SiGe und Silizium) bzw. für die daraus aufgebauten TEGs. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von TiSi2 liegt exakt zwischen dem des vielversprechenden TE-Materials Mg2Si und des Substrats (Al2O3) und stellt damit eine optimale Verbindung zwischen diesen her. Kontaktwiderstände zu unterschiedlichen Materialien und das Diffusionsverhalten von verschiedenen Dotierstoffen sind anhand von umfangreichen Literaturrecherchen und eigenen Tests detailliert belegt und als positiv bzw. unkritisch eingestuft worden. Ausgiebige Testreihen wurden bezüglich der Herstellung von TiSi2 unternommen, wobei festzuhalten ist, dass bei sauerstofffreier Prozessierung TiSi2-Schichten mit sehr hoher Qualität erreichbar sind, und dass die Einführung einer Schutzschicht diese Prozessanforderung wiederum deutlich herabsetzt und den Gesamtprozess somit nennenswert vereinfacht und störungsresistent werden lässt. Die Integration der TEG-Demonstratoren aus Eisendisilizid und Silizium/Germaniu
eng: The aim of this thesis was to develop a high temperature suitable joining technology for thermoelectric generators (TEG). Therefore, Titanium disilicide (TiSi2) was chosen as the electrical hot side joining material, tested in detail and successfully introduced into the thermoelectric technology.Important material properties were analyzed under realistic environmental conditions by using several self-integrated demonstrator-TEGs. The thermal stability of the TiSi2-joint was tested up to 600 C. The actual temperature limit is located at 800 C due to oxidation. However the limit can be pushed to 940 C through additional adjustments.The resistivity of TiSi2 inside the target application is found to be 40 cm. This applies for all three TE materials (FeSi2, SiGe and silicon) independent of their doping type and for the TEGs out of them. The thermal expansion coefficient of TiSi2 is located exactly between the promising TE material Mg2Si and the substrate (Al2O3) which makes it an optimal joining material. Contact resistances to various different materials and its diffusion behavior were studied by extensive literature research and several experiments. The contact resistance were rated positively while the diffusion behavior was not critical. Substantial studies were done regarding the fabrication process of TiSi2. In the end it can be said that with an oxygen-free process the TiSi2-layer was achieved to a very high quality. An additional protection layer reduced the process requirements significantly and made the process much easier and robust. The integration of demonstrator-TEGs made out of iron disilicid and silicon/germanium showed that the TiSi2 joining technology can be transferred unrestrictedly to both new materials. Hence it is most likely that this also applies for many more materials. Degradation analyzes using thermal shock testing did not reveal any effects++